基于LIBS的非接触式瞬态高温测量系统

本发明涉及激光高温测量，尤其涉及基于libs的非接触式瞬态高温测量系统，利用ftir测量并获取样本的透射光谱，通过对透射光谱的深入分析，能够有效辨识出材料辐射特性的基础参数。

背景技术：

1、在结构传热特性分析与防热设计中，接触热阻是重要参数之一，其取值准确与否直接关系到热控设计的质量。接触热阻是一个受温度、载荷、介质、材料热物性、表面粗糙度、材料机械特征、材料表面性质、环境等众多因素耦合影响的非线性问题。现有的理论模型难以用于实践，过高或过低估计接触界面间的热阻都会对结构传热产生影响，严重时会导致结构使用效率低下或引发安全隐患。

2、接触热阻测量方法分为稳态测量方法和瞬态测量方法两种。稳态法装置简单、方法成熟，但测量时间长。瞬态法包括激光光热测量法、热成像法、flash闪光法等，其优点是响应快、非接触、测量样件的尺寸可以小到纳米数量级，但其测量过程易受各种因素影响，且公式推导相对复杂，测量精度也难以保证。

3、因此，亟待需要一种避免与测量基材接触，快速实现对基材辐射特性基础参数的高温测量系统，来弥补传统接触热阻测量方法的技术缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于libs的非接触式瞬态高温测量系统，通过激光的精确控制，实现对样品状态的快速捕捉和分析。激光脉冲产生的高温是一个瞬态过程，这种快速响应的能力使得libs技术非常适合用于需要实时监测和快速决策的场合，如工业生产中的质量控制和故障分析，实现对基材局部的即时分析，快速获取元素信息，避免对整个基材进行分析，节约时间和成本；同时，激光束直接照射到基材表面进行分析，无需与基材直接接触，避免了对基材的损坏和污染，也消除了水蒸气和二氧化碳的光谱污染；本发明中高温测量的优点在于libs技术能够激发极高温度的环境，libs技术通过聚焦后的脉冲激光烧蚀激发原件，产生瞬态高温等离子体，这使得它能够在一些传统测温技术无法胜任的高温环境中发挥重要作用。

2、为实现上述目的，本发明提供了基于libs的非接触式瞬态高温测量系统，包括：

3、(1)libs加热装置包括：激光器、激光反射镜、收光透镜、光纤、光谱仪；

4、libs通过聚焦后的脉冲激光直接作用基材表面，使温度迅速上升，局部高温的基材瞬间熔化和蒸发，产生等离子体；

5、(2)控温装置：升温区间为300-3400k，加热过程中保证设置温度与控温温度之差小于3％，使加热功率保持平稳；

6、(3)基材姿态调整装置：基于钼制试件支架，对基材姿态进行调整；

7、(4)光谱调制探测装置：利用ftir对基材辐射特性基础参数的辨识。

8、优选的，在libs加热装置中，所述激光器产生实验所需能量高且功率密度大的激光脉冲；

9、所述激光反射镜改变激光脉冲光路，沿着与基材垂直方向经聚焦透镜聚焦到一点后作用到基材上；

10、所述收光透镜收集等离子体激发产生的光；

11、所述光纤传输收光透镜收集的光到光谱仪。

12、优选的，所述libs加热装置配备预真空设备、回填氩气设备、水冷设备、温度测量设备。

13、优选的，所述钼制试件支架由载物台、承重平衡板和弹性密封圈组成；在热态下，钼制试件支架能够±180°旋转，精度为0.01°，钼制试件支架的旋转操作完全由计算机通过指令控制步进电机来实现。

14、优选的，所述载物台包含卡槽和支撑结构，使基材在随钼制试件支架转动时不发生滑移；

15、所述承重平衡板通过杠杆原理，利用多层承重平衡板调整钼制试件支架的水平姿态，确保载物台的水平承载基材；

16、在钼制试件支架旋转过程中，弹性密封圈使加热室始终与外界隔绝，保证加热室内的高压氩气氛围。

17、优选的，利用ftir对基材辐射特性基础参数的辨识，具体步骤如下：

18、s1、光源发出的光进入干涉仪后，一半能量透过分束器照射到动镜上，再由动镜反射回分束器；另一半能量经过静镜的多次反射再次回到分束器；

19、s2、经过分束器调制，两分束光之间产生干涉，通过傅里叶变换得到干涉图谱，再经傅里叶逆变换得到光谱分布图；

20、s3、通过光电检测器将检测到的辐射能量转换为响应电压信号并输出。

21、优选的，所述光电检测器包括：ingaas二极管光电检测器，探测范围0.85-2.5μm，噪声等效功率nep<2×10-14w·hz-1/2；

22、dlatgs热释检测器，探测范围0.8-28.6μm，比探测率d*>4×108cm·hz-1/2·w-1。

23、优选的，通过检测光源信号电压响应u0,λ和透射信号电压响应ut,λ，获得样片的法向-法向透射比，如下所示：

24、

25、其中，u0,λ为光源信号电压响应，ut,λ为透射信号电压响应。

26、优选的，偏移距离δ与入射光束会聚角度之间的关系式，如下所示：

27、

28、优选的，单层介质的透射比，如下所示：

29、

30、透射率如下所示：

31、

32、界面反射率如下所示：

33、

34、其中，τt表示单层介质的透射比，κ表示材料的吸收指数，λ表示波长。

35、因此，本发明采用上述基于libs的非接触式瞬态高温测量系统，有益效果如下：

36、(1)本发明通过激光的精确控制，在基材表面产生极小的击穿区域，通过聚焦后的脉冲激光烧蚀激发原件，瞬间升温，促使基材中的原子或分子被激发，产生瞬态高温等离子体，产生光谱信号，实现对基材局部的即时加热，快速获取元素信息，避免对整个基材进行分析，节约时间和成本。

37、(2)同时，激光束直接照射到基材表面进行分析，无需与基材直接接触，避免了对基材的损坏和污染，也消除了水蒸气和二氧化碳的光谱污染，libs技术使得在一些传统测温技术无法胜任的高温环境中发挥重要作用。

38、(3)对于透射信号较强的材料，本发明利用ftir的内部精密光路设计，可以测量并获取样本的透射光谱，通过对透射光谱的深入分析，能够有效辨识出材料辐射特性的基础参数，为材料性能研究、质量控制及新材料的开发提供重要的实验依据和理论支持。

39、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.基于libs的非接触式瞬态高温测量系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于libs的非接触式瞬态高温测量系统，其特征在于：在libs加热装置中，所述激光器产生实验所需能量高且功率密度大的激光脉冲；

3.根据权利要求1所述的基于libs的非接触式瞬态高温测量系统，其特征在于：所述libs加热装置配备预真空设备、回填氩气设备、水冷设备、温度测量设备。

4.根据权利要求1所述的基于libs的非接触式瞬态高温测量系统，其特征在于：所述钼制试件支架由载物台、承重平衡板和弹性密封圈组成；在热态下，钼制试件支架能够±180°旋转，精度为0.01°，钼制试件支架的旋转操作完全由计算机通过指令控制步进电机来实现。

5.根据权利要求4所述的基于libs的非接触式瞬态高温测量系统，其特征在于：所述载物台包含卡槽和支撑结构，使基材在随钼制试件支架转动时不发生滑移；

6.根据权利要求1所述的基于libs的非接触式瞬态高温测量系统，其特征在于，利用ftir对基材辐射特性基础参数的辨识，具体步骤如下：

7.根据权利要求6所述的基于libs的非接触式瞬态高温测量系统，其特征在于，所述光电检测器包括：ingaas二极管光电检测器，探测范围0.85-2.5μm，噪声等效功率nep<2×10-14w·hz-1/2；

8.根据权利要求6所述的基于libs的非接触式瞬态高温测量系统，其特征在于，通过检测光源信号电压响应u0,λ和透射信号电压响应ut,λ，获得样片的法向-法向透射比，如下所示：

9.根据权利要求8所述的基于libs的非接触式瞬态高温测量系统，其特征在于，偏移距离δ与入射光束会聚角度之间的关系式，如下所示：

10.根据权利要求9所述的基于libs的非接触式瞬态高温测量系统，其特征在于，单层介质的透射比，如下所示：

技术总结
本发明属于激光高温测量技术领域，公开了基于LIBS的非接触式瞬态高温测量系统，包括：LIBS加热装置；控温装置；基材姿态调整装置；光谱调制探测装置。本发明采用上述的基于LIBS的非接触式瞬态高温测量系统，通过激光的精确控制，在基材表面产生极小的击穿区域，瞬间升温，促使基材中的原子或分子被激发，产生光谱信号，实现对基材局部的即时分析和样品状态的快速捕捉，避免对整个基材进行分析，节约时间和成本；同时，激光束直接照射到基材表面进行分析，无需与基材直接接触，避免了对基材的损坏和污染，也消除了水蒸气和二氧化碳的光谱污染。

技术研发人员：于海燕,郭宁,任凤英,李明东,王伟,任霄汉
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/16